Електронний електрометр

Завдання роботи:

виготовити і випробувати прототип електронного електрометра.

Обладнання:

– макетна плата;
– польовий транзистор з керуючим p-n переходом, n-канальний J108, J109, J110, J111 або J112;
– резистори опором 220 кОм, 100 кОм та 10 кОм 0,25…0,5 Вт;
– змінний багатообертовий резистор 50 кОм;
– з’єднувальні провідники;
– елемент живлення «Крона», 9 В;
– тримач елементу живлення типу «Крона» (контактний майданчик зі з’єднувальними проводами);
– мультиметр.

Основні терміни та поняття

Електричний заряд ЕЛЕКТРИЧНИЙ ЗАРЯД. ЗАКОН ЗБЕРЕЖЕННЯ ЕЛЕКТРИЧНОГО ЗАРЯДУ ПРОВІДНИКИ В ЕЛЕКТРОСТАТИЧНОМУ ПОЛІ (ЕЛЕКТРОСТАТИЧНА ІНДУКЦІЯ) – ЕЛЕКТРИЧНЕ ПОЛЕ У РЕЧОВИНІ Польові транзистори Польові транзистори Польові транзистори з керуючим р-n-переходом

Теоретична частина

Рис. 1. Прототип електронного електрометра

Електрометром називається прилад для індикації електричного заряду і визначення його величини. Схема найпростішого електрометра показана на рисунку 2.

Рис. 2. Найпростіший електрометр

Найпростіший електрометр складається з металевого стрижня, порожньої провідної кулі, металевої стрілки, шарнірно закріпленої до стрижня, металевого корпусу, скляних кришок, що закривають корпус з обох боків, шкали і непровідної підставки. Стрижень відділяється від корпусу за допомогою пластикової втулки. При дотику до кулі зарядженим предметом заряди стікають на електрод і стрілку, які виявляються однойменно зарядженими, і тому стрілка відхиляється від електрода на певний кут, що залежить від величини заряду, переданого кулі. Такі прості електрометри і досі застосовуються у фізичних кабінетах для демонстрацій. Шкала таких електрометрів не тарується і за їхньою допомогою можна визначати лише відносну величину електричного заряду. Недоліком такого приладу є те, що він не показує знак заряду тіла.

У практичній роботі “Індикатор електростатичного заряду” пропонується виготовити і випробувати індикатор електростатичного заряду, який дає змогу визначати знак електростатичного заряду того чи іншого наелектризованого тіла. Величину заряду цей прилад не визначає. Отже, маючи найпростіший електрометр і такий індикатор, можна визначити і знак, і величину електростатичного заряду.

У цій роботі пропонується виготовити і випробувати більш досконалий прилад, який дає можливість визначати і знак заряду, і його відносну величину.

Схема електронного електрометра представлена на рисунку 3. Схема увімкнення польового транзистору Q1 та резисторів R1, R2, R3 та R4 називається мостовою. Транзистор Q1 та резистор R1 утворюють витоковий повторювач. Витоковий повторювач описаний у роботі “Вимірювання напруженості змінного електричного поля промислової частоти”. У цій роботі він застосовується для вимірювання величини змінного електричного поля.

Рис. 3. Схема електронного електрометра

Ланцюг з резисторів R2, R3 та R4 призначено для балансування нашої мостової схеми. Мостові схеми містять дві діагоналі. До однієї діагоналі подається живлення, а до іншої підключається вольтметр. Антеною слугує з’єднувальний провід під макетні плати.
Для балансування схеми електрометра треба з’єднати антену з «-» джерела живлення і встановити змінний резистор у таке положення, за якого вольтметр (мультиметр увімкнений у режим вимірювання постійної напруги) покаже значення 0 В.
Після балансування та відключення антени від «-» джерела живлення за допомогою приладу можна визначати знак заряду і його відносну величину.
На рисунку 4 наведені назви і розміщення електродів польових транзисторів J108, J109, J110, J111 та J112 на позначенні в електричних схемах та у виробах у корпусі ТО-92.

Рис. 4. Позначення електродів польових транзисторів

Якщо під час роботи з приладом його чутливість виявиться занадто високою, то до кінця антени можна під’єднати провідну кульку діаметром 5-10 см, зроблену, наприклад, з алюмінієвої фольги.

Хід роботи

1. На макетній платі складіть вимірювальну схему електрометра відповідно до схеми на рисунку 3 з урахуванням даних про розміщення електродів польових транзисторів на рисунку 4. Підключіть до схеми живлення і мультиметр. Приклад зібраної схеми наведено на рисунку 5.
2. Увімкніть мультиметр на режим вимірювання постійної напруги VDC.

Рис. 5. Приклад зібраної схеми електрометра

3. З’єднайте кінець антени з «-» джерела живлення.
4. Обертаючи ротор змінного резистора, встановіть його в положення, за якого покази мультиметра будуть дорівнювати 0 В.
5. Доторкніться рукою до антени і з’ясуйте, який електричний заряд має ваше тіло.
6. Потріть пластикову ручку об волосся і піднесіть її до антени. З’ясуйте, якого заряду набув пластик при терті об волосся.
7. Проекспериментуйте з іншими матеріалами, наприклад склом, вовною, синтетичними та натуральними тканинами, ватою, різними сортами пластику.

Аналіз даних

Дійдіть висновків щодо знаку та відносної величини електростатичного заряду, якого набувають тіла з різних матеріалів під час тертя одне об одне.